Калибровка
В измерительной технике и метрологии с калибровка — это сравнение значений измерений, полученных испытуемым устройством, калибровочными значениями известной точности. Таким эталоном может быть другое измерительное устройство известной точности, устройство, генерирующее измеряемую величину, такую как напряжение , звуковой тон или физический артефакт, такой как линейка метра .
Результатом сравнения может быть одно из следующих:
- на тестируемом устройстве не обнаружено существенных ошибок
- отмечена существенная ошибка, но корректировка не внесена
- корректировка, сделанная для исправления ошибки до приемлемого уровня
Строго говоря, термин «калибровка» означает лишь акт сравнения и не включает в себя какую-либо последующую настройку.
Калибровочный эталон обычно соответствует национальному или международному стандарту, утвержденному метрологическим органом.
Определение МБМВ
[ редактировать ]Формальное определение калибровки, данное Международным бюро мер и весов (BIPM), следующее: «Операция, которая при определенных условиях на первом этапе устанавливает связь между значениями величин с неопределенностями измерения, обеспечиваемыми эталонами измерений, и соответствующими показаниями. с соответствующими неопределенностями измерения (калиброванного прибора или вторичного эталона) и на втором этапе использует эту информацию для установления зависимости для получения результата измерения на основе показаний». [1]
В этом определении говорится, что процесс калибровки представляет собой чисто сравнение, но вводится понятие неопределенности измерения при сопоставлении точности испытуемого устройства и эталона.
Современные процессы калибровки
[ редактировать ]Растущая потребность в известной точности и неопределенности, а также необходимость иметь последовательные и сопоставимые стандарты на международном уровне привели к созданию национальных лабораторий. Во многих странах будет существовать Национальный институт метрологии (НМИ), который будет поддерживать первичные эталоны измерений (основные единицы СИ плюс ряд производных единиц), которые будут использоваться для обеспечения прослеживаемости приборов заказчика путем калибровки.
НМИ поддерживает метрологическую инфраструктуру в этой стране (а часто и в других), создавая непрерывную цепочку от стандартов высшего уровня до приборов, используемых для измерений. Примерами национальных метрологических институтов являются NPL в Великобритании , NIST в США , PTB в Германии и многие другие. Поскольку Соглашение о взаимном признании было подписано, теперь легко получить прослеживаемость от любого участвующего НМИ, и компании больше не требуется получать прослеживаемость измерений от НМИ страны, в которой она находится, например, от Национальной физической лаборатории. в Великобритании.
Качество калибровки
[ редактировать ]Чтобы улучшить качество калибровки и добиться признания результатов сторонними организациями, желательно, чтобы калибровка и последующие измерения были «прослеживаемы» до единиц измерения, определенных на международном уровне. Установление прослеживаемости достигается путем формального сравнения со стандартом , который прямо или косвенно связан с национальными стандартами (например, NIST в США), международными стандартами или сертифицированными эталонными материалами . Это могут делать национальные лаборатории по стандартизации, находящиеся в ведении правительства, или частные фирмы, предлагающие метрологические услуги.
Системы управления качеством требуют эффективной метрологической системы, которая включает формальную, периодическую и документированную калибровку всех средств измерений. ИСО 9000 [2] и ИСО 17025 [3] стандарты требуют, чтобы эти отслеживаемые действия были на высоком уровне, и определяли, как их можно измерить количественно.
Чтобы сообщить о качестве калибровки, калибровочное значение часто сопровождается заявлением о прослеживаемой неопределенности до установленного уровня достоверности. Это оценивается посредством тщательного анализа неопределенности. Иногда для эксплуатации оборудования в неисправном состоянии требуется DFS (отклонение от спецификации). Всякий раз, когда это происходит, это должно быть оформлено в письменной форме и санкционировано руководителем при технической помощи специалиста по калибровке.
Измерительные устройства и инструменты классифицируются в зависимости от физических величин, для измерения которых они предназначены. Они различаются в разных странах, например NIST 150-2G в США. [4] и НАБЛ -141 в Индии. [5] Вместе эти стандарты охватывают приборы, измеряющие различные физические величины, такие как электромагнитное излучение ( РЧ-зонды ), звук ( шумомер или дозиметр шума ), время и частота ( интервалометр ), ионизирующее излучение ( счетчик Гейгера ), свет ( люксметр ), механические величины ( концевой выключатель , манометр , реле давления ) и термодинамические или термические свойства ( термометр , регулятор температуры ). Стандартный прибор для каждого испытательного устройства соответственно различается, например, грузопоршневой манометр для калибровки манометра и термометр сухого блока для калибровки термометра.
Подсказки по калибровке прибора
[ редактировать ]Калибровка может потребоваться по следующим причинам:
- новый инструмент
- после ремонта или модификации инструмента
- перемещение из одного места в другое место
- по истечении определенного периода времени
- по истечении указанного времени использования (часов работы)
- до и/или после критического измерения
- после какого-то события, например
- после того, как прибор подвергся удару, вибрации или физическому повреждению, которое потенциально могло поставить под угрозу целостность его калибровки
- внезапные изменения погоды
- всякий раз, когда наблюдения кажутся сомнительными или показания приборов не соответствуют показаниям суррогатных приборов
- в соответствии с требованиями, например, спецификациями заказчика или рекомендациями производителя прибора.
В общем случае калибровка часто рассматривается как включающая в себя процесс настройки выходного сигнала или показаний измерительного прибора для обеспечения соответствия значению применяемого эталона с заданной точностью. Например, термометр можно откалибровать, чтобы определить погрешность показаний или поправку, и отрегулировать (например, с помощью калибровочных констант) так, чтобы он показывал истинную температуру в градусах Цельсия в определенных точках шкалы. Это восприятие конечного пользователя инструмента. Однако очень немногие инструменты можно настроить так, чтобы они точно соответствовали стандартам, с которыми они сравниваются. Для подавляющего большинства калибровок процесс калибровки фактически представляет собой сравнение неизвестного с известным и запись результатов.
Базовый процесс калибровки
[ редактировать ]Цель и сфера применения
[ редактировать ]Процесс калибровки начинается с проектирования средства измерения, которое необходимо калибровать. Конструкция должна иметь возможность «выдерживать калибровку» на протяжении всего интервала калибровки. Другими словами, конструкция должна обеспечивать измерения, находящиеся «в пределах инженерных допусков » при использовании в установленных условиях окружающей среды в течение некоторого разумного периода времени. [6] Наличие конструкции с этими характеристиками увеличивает вероятность того, что фактические измерительные приборы будут работать так, как ожидалось. По сути, целью калибровки является поддержание качества измерений, а также обеспечение правильной работы конкретного прибора.
Частота
[ редактировать ]Точный механизм назначения значений допуска зависит от страны и типа отрасли. При измерении оборудования производитель обычно устанавливает допуск измерения, предлагает интервал калибровки (CI) и определяет диапазон условий эксплуатации и хранения. Организация-пользователь обычно назначает фактический интервал калибровки, который зависит от вероятного уровня использования конкретного измерительного оборудования. Назначение интервалов калибровки может быть формальным процессом, основанным на результатах предыдущих калибровок. В самих стандартах не указаны рекомендуемые значения CI: [7]
- ИСО 17025 [3]
- «Сертификат о калибровке (или этикетка о калибровке) не должен содержать каких-либо рекомендаций относительно интервала калибровки, за исключением случаев, когда это было согласовано с потребителем. Это требование может быть заменено законодательными нормами».
- АНСИ/НКСЛ Z540 [8]
- «...должны калиброваться или проверяться через определенные промежутки времени, установленные и поддерживаемые для обеспечения приемлемой надежности...»
- ИСО-9001 [2]
- «Там, где необходимо обеспечить достоверность результатов, измерительное оборудование должно... калиброваться или проверяться через определенные промежутки времени или перед использованием...»
- MIL-STD-45662A [9]
- «...должны калиброваться через определенные промежутки времени, установленные и поддерживаемые для обеспечения приемлемой точности и надежности... Интервалы должны быть сокращены или могут быть увеличены подрядчиком, когда результаты предыдущих калибровок показывают, что такое действие целесообразно для поддержания приемлемого уровня надежность».
Требуемые стандарты и точность
[ редактировать ]Следующим шагом является определение процесса калибровки. Выбор стандарта или стандартов является наиболее заметной частью процесса калибровки. В идеале эталон имеет менее 1/4 погрешности измерения калибруемого устройства. Когда эта цель достигнута, совокупная неопределенность измерения всех задействованных эталонов считается незначительной, если окончательное измерение также выполнено с соотношением 4:1. [10] Вероятно, это соотношение было впервые формализовано в Справочнике 52, который сопровождал MIL-STD-45662A, одну из первых спецификаций метрологической программы Министерства обороны США. С момента своего создания в 1950-х годах до 1970-х годов соотношение было 10:1, когда развитие технологий сделало соотношение 10:1 невозможным для большинства электронных измерений. [11]
Поддерживать соотношение точности 4:1 с помощью современного оборудования сложно. Калибруемое испытательное оборудование может быть столь же точным, как и рабочий эталон. [10] Если коэффициент точности меньше 4:1, то для компенсации можно уменьшить допуск калибровки. При достижении 1:1 только точное совпадение эталона и калибруемого устройства является полностью правильной калибровкой. Другой распространенный метод устранения этого несоответствия возможностей — снижение точности калибруемого устройства.
Например, манометр с заявленной производителем точностью 3 % можно заменить на 4 %, чтобы можно было использовать стандарт точности 1 % при соотношении 4:1. Если манометр используется в приложении, требующем точности 16 %, снижение точности манометра до 4 % не повлияет на точность окончательных измерений. Это называется ограниченной калибровкой. Но если для окончательного измерения требуется точность 10 %, то манометр с точностью 3 % никогда не сможет быть лучше, чем 3,3:1. Тогда, возможно, лучшим решением будет корректировка допуска калибровки манометра. Если калибровка выполняется при 100 единицах, стандарт 1% фактически будет где-то между 99 и 101 единицами. Приемлемые значения калибровок при соотношении испытательного оборудования 4:1 составляют от 96 до 104 единиц включительно. Изменение допустимого диапазона с 97 до 103 единиц устранит потенциальный вклад всех стандартов и сохранит соотношение 3,3:1. Далее, дальнейшее изменение допустимого диапазона от 98 до 102 восстанавливает окончательное соотношение более чем 4:1.
Это упрощенный пример. Математику примера можно оспорить. Важно, чтобы любые мысли, которыми руководствовался этот процесс при реальной калибровке, были записаны и доступны. Неформальность способствует накоплению допусков и другим трудно диагностируемым проблемам после калибровки.
Также в приведенном выше примере в идеале калибровочное значение в 100 единиц было бы лучшей точкой в диапазоне датчика для выполнения калибровки по одной точке. Это может быть рекомендация производителя или способ калибровки подобных устройств. Также используются калибровки по нескольким точкам. В зависимости от устройства точкой калибровки может быть также состояние нулевой единицы, отсутствие измеряемого явления. Или же пользователь может сбросить ноль — возможно несколько вариантов. Опять же, следует записать точки, которые будут использоваться во время калибровки.
Между эталоном и калибруемым устройством могут использоваться особые методы соединения, которые могут повлиять на калибровку. Например, при электронной калибровке, включающей аналоговые явления, импеданс кабельных соединений может напрямую влиять на результат.
Ручная и автоматическая калибровка
[ редактировать ]Методы калибровки современных устройств могут быть ручными или автоматическими.
Например, ручной процесс можно использовать для калибровки манометра. Процедура требует нескольких шагов, [12] соединить испытуемый манометр с эталонным эталонным манометром и регулируемым источником давления, подать давление жидкости как на эталонный, так и на испытательный манометры в определенных точках по всему диапазону манометра и сравнить показания обоих. Испытуемый манометр можно отрегулировать так, чтобы его нулевая точка и реакция на давление максимально соответствовали заданной точности. Каждый этап процесса требует ручного учета.
Автоматический калибратор давления [13] представляет собой устройство, которое сочетает в себе электронный блок управления, усилитель давления, используемый для сжатия газа, такого как азот , датчик давления, используемый для определения желаемого уровня в гидравлическом аккумуляторе , и аксессуары, такие как уловители жидкости и манометрические фитинги . Автоматическая система может также включать средства сбора данных для автоматизации сбора данных для ведения учета.
Описание процесса и документация
[ редактировать ]Вся вышеуказанная информация собирается в ходе процедуры калибровки, которая представляет собой особый метод испытаний . Эти процедуры охватывают все шаги, необходимые для выполнения успешной калибровки. Производитель может предоставить его, или организация может подготовить такой документ, который также отражает все другие требования организации. В Соединенных Штатах существуют информационные центры по процедурам калибровки, такие как Программа обмена данными между правительством и промышленностью (GIDEP).
Этот точный процесс повторяется для каждого из используемых стандартов до тех пор, пока не будут достигнуты стандарты переноса, сертифицированные эталонные материалы и/или естественные физические константы, стандарты измерений с наименьшей неопределенностью в лаборатории. Это обеспечивает прослеживаемость калибровки.
см . в разделе «Метрология» Другие факторы, которые учитываются при разработке процесса калибровки, .
После всего этого отдельные инструменты определенного типа, описанные выше, наконец, могут быть откалиброваны. Обычно процесс начинается с базовой проверки повреждений. Некоторые организации, такие как атомные электростанции, собирают данные калибровки «как есть» перед любого планового технического обслуживания выполнением . После устранения планового технического обслуживания и устранения недостатков, обнаруженных во время калибровки, выполняется калибровка «как было».
Чаще всего весь процесс поручается специалисту по калибровке, который подписывает сертификат калибровки, который документирует завершение успешной калибровки. Основной процесс, описанный выше, является сложной и дорогостоящей задачей. стоимость обычной поддержки оборудования обычно составляет около 10 % от первоначальной покупной цены на ежегодной основе Согласно общепринятому эмпирическому правилу, . Экзотические устройства, такие как сканирующие электронные микроскопы , газовые хроматографы и лазерные интерферометры , могут оказаться еще более дорогостоящими в обслуживании.
Устройство «однократного измерения», использованное в приведенном выше описании базового процесса калибровки, действительно существует. Но, в зависимости от организации, большинство устройств, нуждающихся в калибровке, могут иметь несколько диапазонов и множество функций в одном приборе. Хорошим примером является обычный современный осциллограф . Легко может быть 200 000 комбинаций настроек для полной калибровки и ограничений на то, какая часть комплексной калибровки может быть автоматизирована.
Для предотвращения несанкционированного доступа к прибору после калибровки обычно накладываются защитные пломбы. На изображении стойки осциллографа они показаны и доказывают, что прибор не снимался с момента его последней калибровки, поскольку возможно несанкционированное воздействие на регулировочные элементы прибора. Также имеются этикетки, показывающие дату последней калибровки и интервал между калибровками, определяющий необходимость следующей калибровки. Некоторые организации также присваивают каждому прибору уникальную идентификацию, чтобы стандартизировать ведение учета и отслеживать принадлежности, необходимые для конкретных условий калибровки.
Когда калибруемые инструменты интегрированы с компьютерами, встроенные компьютерные программы и любые поправки к калибровке также находятся под контролем.
Историческое развитие
[ редактировать ]Происхождение
[ редактировать ]Слова «калибровка» и «калибровка» вошли в английский язык совсем недавно, во время Гражданской войны в США . [14] в описаниях артиллерии считается производным от измерения калибра орудия.
Некоторые из самых ранних известных систем измерения и калибровки, похоже, были созданы между древними цивилизациями Египта , Месопотамии и долины Инда , а раскопки показали использование угловых градаций в строительстве. [15] Термин «калибровка», вероятно, впервые был связан с точным разделением линейных расстояний и углов с помощью делительной машины и измерением гравитационной массы с помощью весов . Сами по себе эти две формы измерения и их прямые производные поддерживали почти всю торговлю и технологическое развитие от самых ранних цивилизаций примерно до 1800 года нашей эры. [16]
Калибровка весов и расстояний ( ок. 1100 г. н.э. )
[ редактировать ]
Ранние измерительные приборы были прямыми , то есть имели те же единицы измерения, что и измеряемая величина. Примеры включают длину с использованием мерки и массу с использованием весов. В начале двенадцатого века, во времена правления Генриха I (1100-1135), было постановлено, что ярдом будет «расстояние от кончика носа короля до конца его вытянутого большого пальца». [17] Однако документальные свидетельства мы находим только во время правления Ричарда I (1197 г.). [18]
- Присяга мер
- «Во всем королевстве должен быть одинаковый двор одинакового размера и он должен быть железным».
Последовали и другие попытки стандартизации, такие как Великая хартия вольностей (1225 г.) для мер жидкостей, вплоть до Mètre des Archives во Франции и создания метрической системы .
Ранняя калибровка приборов давления
[ редактировать ]
Одним из первых приборов для измерения давления был барометр Меркурия, приписываемый Торричелли (1643 г.). [19] которые считывают атмосферное давление с помощью Меркурия . водонаполненные манометры Вскоре были разработаны . Все они будут иметь линейную калибровку с использованием гравиметрических принципов, где разница уровней будет пропорциональна давлению. Обычными единицами измерения будут удобные дюймы ртутного столба или воды.
В конструкции гидростатического манометра с прямым считыванием справа приложенное давление P a толкает жидкость вниз по правой стороне U-образной трубки манометра, в то время как шкала длины рядом с трубкой измеряет разницу уровней. Результирующая разница высот «H» является прямым измерением давления или вакуума по отношению к атмосферному давлению . В отсутствие перепада давления оба уровня будут равны, и это будет использоваться в качестве нулевой точки.
Промышленная революция привела к появлению устройств «косвенного» измерения давления, которые были более практичными, чем манометр. [20] Примером могут служить паровые двигатели высокого давления (до 50 фунтов на квадратный дюйм), где ртуть использовалась для уменьшения длины шкалы примерно до 60 дюймов, но такой манометр был дорогим и подверженным повреждениям. [21] Это стимулировало разработку инструментов непрямого чтения, трубка Бурдона, изобретенная Эженом Бурдоном ярким примером которых является .
На видах манометра Бурдона спереди и сзади справа давление, приложенное к нижнему фитингу, уменьшает изгиб сплющенной трубы пропорционально давлению. При этом перемещается свободный конец трубки, связанной с указателем. Прибор будет калиброваться по манометру, который будет калибровочным стандартом. При измерении косвенных величин давления на единицу площади неопределенность калибровки будет зависеть от плотности жидкости манометра и способа измерения разницы высот. Из этого можно было вывести и отметить на шкале другие единицы, такие как фунты на квадратный дюйм.
См. также
[ редактировать ]
- Калибровочная кривая
- Калиброванная геометрия
- Калибровка (статистика)
- Калибровка цвета – используется для калибровки компьютера . монитора или дисплея
- Дедвейтный тестер
- EURAMET Ассоциация европейских НМИ
- Калибровка измерительного микрофона
- Неопределенность измерения
- Музыкальная настройка . В музыке настройка означает калибровку музыкальных инструментов для воспроизведения правильной высоты тона.
- Лаборатория прецизионного измерительного оборудования
- Вагон-весы – устройство, предназначенное для калибровки весов , предназначенных для взвешивания железнодорожных вагонов .
- Системы измерения
Ссылки
[ редактировать ]- ^ JCGM 200:2008 Международный словарь по метрологии. Архивировано 31 октября 2019 г. в Wayback Machine - Основные и общие концепции и связанные с ними термины (VIM).
- ^ Перейти обратно: а б ISO 9001: «Системы менеджмента качества. Требования» (2008 г.), раздел 7.6.
- ^ Перейти обратно: а б ISO 17025: «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий» (2005 г.), раздел 5.
- ^ Фэйсон, К. Дуглас; Брикенкамп, Кэрролл С. (март 2004 г.). «Калибровочные лаборатории: Техническое руководство по механическим измерениям» (PDF) . Справочник НИСТ 150-2G . НИСТ . Архивировано из оригинала (PDF) 12 мая 2015 года . Проверено 14 июня 2015 г.
- ^ «Метрология, давление, тепловые и электротехнические измерения и калибровка» . Научно-исследовательский институт контроля жидкости (FCRI), Министерство тяжелой промышленности и государственных предприятий, Правительство. Индии. Архивировано из оригинала 14 июня 2015 года . Проверено 14 июня 2015 г.
- ^ Хайдер, Сайед Имтиаз; Асиф, Сайед Эрфан (16 февраля 2011 г.). Учебное пособие по контролю качества: Комплексное учебное пособие для API, готовых фармацевтических и биотехнологических лабораторий . ЦРК Пресс. п. 49. ИСБН 978-1-4398-4994-1 .
- ^ Бэйр, Аллен (2006). Упрощенный анализ интервалов калибровки (PDF) . Айкен, Южная Каролина: Международный семинар и симпозиум NCSL, по контракту с Управлением научной и технической информации Министерства энергетики США. стр. 1–2. Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2007 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ «ANSI/NCSL Z540.3-2006 (R2013)» . Международная национальная конференция лабораторий стандартов (NCSL). Архивировано из оригинала 20 ноября 2014 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ «Требования к системам калибровки (военный стандарт)» (PDF) . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США. 1 августа 1998 г. Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2005 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Лиговский, М.; Яблонский, Рышард; Табе, М. (2011), Яблонский, Рышард; Бржезина, Томаш (ред.), Процедура калибровки зондового силового микроскопа Кельвина , Мехатроника: последние технологические и научные достижения, стр. 227, doi : 10.1007/978-3-642-23244-2 , ISBN. 978-3-642-23244-2 , LCCN 2011935381
- ^ Военный справочник: оценка системы калибровки подрядчика (PDF) . Министерство обороны США. 17 августа 1984 г. с. 7. Архивировано (PDF) из оригинала 4 декабря 2014 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ Процедура калибровки манометров (USBR 1040) (PDF) . Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации. стр. 70–73. Архивировано (PDF) из оригинала 12 мая 2013 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ «Автоматическая система калибровки давления KNC, модель 3666» (PDF) . Корпорация Кинг Нутроникс. Архивировано из оригинала (PDF) 4 декабря 2014 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ «определение калибровки» . Словарь.com . Проверено 18 марта 2018 г.
- ^ Бабер, Захир (1996). Наука Империи: научные знания, цивилизация и колониальное правление в Индии . СУНИ Пресс. стр. 23–24. ISBN 978-0-7914-2919-8 .
- ^ Франческини, Фьоренцо; Галетто, Маурицио; Майзано, Доменико; Мастроджакомо, Лука; Пралио, Барбара (6 июня 2011 г.). Распределенная крупномасштабная размерная метрология: новые идеи . Springer Science & Business Media. стр. 117–118. ISBN 978-0-85729-543-9 .
- ^ Экройд, Питер (16 октября 2012 г.). Фонд: История Англии от ее древнейших истоков до Тюдоров . Пресса Святого Мартина. стр. 133–134. ISBN 978-1-250-01367-5 .
- ^ Бланд, Альфред Эдвард; Тоуни, Ричард Генри (1919). Английская экономическая история: избранные документы . Компания Макмиллан. стр. 154–155 .
- ^ Тилфорд, Чарльз Р. (1992). «Измерения давления и вакуума» (PDF) . Физические методы химии : 106–173. Архивировано из оригинала (PDF) 5 декабря 2014 г. Проверено 28 ноября 2014 г.
- ^ Фридман А.Е.; Сабак, Эндрю; Макинен, Пол (23 ноября 2011 г.). Качество измерений: Метрологический справочник . Springer Science & Business Media. стр. 10–11. ISBN 978-1-4614-1478-0 .
- ^ Куско, Лоуренс (1998). Руководство по измерению давления и вакуума . Лондон: Институт измерений и контроля. п. 5. ISBN 0-904457-29-Х .
Источники
[ редактировать ]- Крауч, Стэнли и Скуг, Дуглас А. (2007). Принципы инструментального анализа . Пасифик Гроув: Брукс Коул. ISBN 0-495-01201-7 .